JP2007056875A - Oblique tip hole turbine blade - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンのタービンロータブレードに関する。 The present invention relates generally to gas turbine engines, and more specifically to turbine rotor blades for gas turbine engines.
ガスタービンエンジンでは、空気が、圧縮機内で加圧され、燃焼器内で燃料と混合されて高温燃焼ガスを発生する。高圧タービン(HPT)において燃焼ガスからエネルギーを取り出して圧縮機に動力を供給し、また低圧タービン(LPT)において燃焼ガスからエネルギーを取り出して、航空機用ターボファンエンジン用途における上流ファンに動力を供給し或いは船舶及び産業用途の出力シャフトに動力を供給するようにする。 In a gas turbine engine, air is pressurized in a compressor and mixed with fuel in a combustor to generate hot combustion gases. The high pressure turbine (HPT) extracts energy from the combustion gas and supplies power to the compressor, and the low pressure turbine (LPT) extracts energy from the combustion gas and supplies power to the upstream fan in aircraft turbofan engine applications. Alternatively, power is supplied to the output shaft for marine and industrial applications.
第1段タービンロータブレードは、最初に燃焼器からの高温燃焼ガスを受け、従ってその高温に曝される。従って、第1段タービンブレードは、HPTの厳しい環境内で強度を維持する最高級の超合金で形成してブレードの有効寿命を最大にする。 The first stage turbine rotor blade initially receives the hot combustion gases from the combustor and is therefore exposed to that high temperature. Thus, the first stage turbine blade is formed of the finest superalloy that maintains strength in the harsh environment of HPT to maximize the useful life of the blade.
さらに、各タービンブレードは中空であり、特殊な構成の冷却回路をその内部に含み、これらの冷却回路は、作動中に圧縮機から抽気した空気の一部分を使用して、タービンブレードを内部冷却すると共に、様々なフィルム冷却孔の列を通してタービン翼形部から吐出される使用済み空気による外部断熱空気フィルムを形成するようにする。 In addition, each turbine blade is hollow and includes specially configured cooling circuits therein that use a portion of the air extracted from the compressor during operation to internally cool the turbine blades. At the same time, an external insulation air film is formed by spent air discharged from the turbine airfoil through the various film cooling hole rows.
各ブレードは、支持ロータディスクの外周部にブレードを個別に取り付けるためのダブテールに接合されたプラットフォームから外向きに延びる翼形部を含む。翼形部は、ほぼ凹面形の正圧側面とほぼ凸面形の負圧側面とを有し、これら両側面は、プラットフォームにおける翼形部の根元からその半径方向外側先端まで翼長にわたって半径方向に延び、また対向する前縁及び後縁間で翼弦にわたって軸方向に延びる。 Each blade includes an airfoil extending outwardly from a platform joined to a dovetail for individually attaching the blade to the outer periphery of the support rotor disk. The airfoil has a generally concave pressure side and a generally convex suction side, the sides being radially extending over the length of the airfoil from the root of the airfoil at the platform to its radially outer tip. And extends axially across the chord between opposing leading and trailing edges.
翼形部内に見られる冷却回路は、対向する正圧及び負圧側面上を流れる燃焼ガスによる異なる熱負荷に対して翼形部の異なる部分を異なった状態で冷却するように特別に調整した数多くの構成を有することができる。翼形部の凹面形−凸面形構成は、作動中にその表面上に異なる速度及び圧力分布を作り出して、支持ディスクを回転させるための燃焼ガスからのエネルギー抽出効率を最大にするようにする。 Many cooling circuits found in the airfoil are specially tuned to cool different parts of the airfoil differently for different heat loads from the combustion gas flowing on the opposing positive and negative pressure sides. It can have the structure of. The concave-convex configuration of the airfoil creates different speed and pressure distributions on its surface during operation to maximize energy extraction efficiency from the combustion gas for rotating the support disk.
従って、燃焼ガスによる熱負荷は、根元から先端まで及び前縁から後縁まで複雑な三次元パターンで変化し、このことが次に、翼形部の異なる部分の局所的冷却要件に影響を与えることになる。 Thus, the heat load due to combustion gases varies in a complex three-dimensional pattern from the root to the tip and from the leading edge to the trailing edge, which in turn affects the local cooling requirements of different parts of the airfoil It will be.
各翼形部は、前縁の直ぐ後方で最大厚さを有し、薄い後縁に向かって次第に薄くなっている。一般的に各翼形部はまた、翼形部の先端において正圧及び負圧側面の小さな延長部を含み、この延長部が、内部冷却回路の頂部を仕切る先端フロアから延びて開放先端空洞を囲むスキーラリブを形成する。 Each airfoil has a maximum thickness just behind the leading edge and gradually becomes thinner toward the thin trailing edge. In general, each airfoil also includes a small extension of the pressure and suction sides at the tip of the airfoil that extends from the tip floor that divides the top of the internal cooling circuit and opens an open tip cavity. Enclose squealer ribs.
最初に高温燃焼ガスを受ける各翼形部の前縁、各翼形部の薄い後縁、及び翼形部先端における小さなスキーラリブは、異なる構成にされ、異なる機能を有し、また実用運転においてタービンブレードの長い有効寿命を保証するのに十分な冷却を得るためのその構成に特有の問題を有する。 The leading edge of each airfoil that initially receives hot combustion gases, the thin trailing edge of each airfoil, and the small squealer ribs at the tip of the airfoil are configured differently, have different functions, and are not There are problems inherent in its construction to obtain sufficient cooling to ensure a long useful life of the blade.
最近のタービンブレードは、何10年にもわたる開発を行ってきたものであり、その開発によって、その有効寿命は、その有効寿命を制限することになる望ましくない熱破損がない状態での多年の又は数千時間のガスタービンエンジン運転まで大きく増大した。しかしながら、大多数のブレードが破損のない性能を有するにも拘わらず、タービンブレードの寿命は、それでもなおそのいずれかの領域における局所的熱破損によって制限される。 Modern turbine blades have been in development for decades, and their development allows their useful life to be multi-year free of undesirable thermal damage that would limit their useful life. Or a significant increase to thousands of hours of gas turbine engine operation. However, despite the majority of blades having unbreakable performance, the life of turbine blades is nevertheless limited by local thermal failure in either region.
例えば、タービンブレード先端は、そのブレードの所望の長い有効寿命にわたって十分に冷却することが難しいブレードの1つの領域である。翼形部先端を囲むスキーラリブは、先端と周囲のタービンシュラウドとの間の半径方向ギャップ又は間隙を最小にして、作動中にそのギャップを通り抜ける望ましくない燃焼ガスの漏洩を最少にするための正圧及び負圧側面の局所的延長部として設けられる。タービンブレードは周囲のタービンシュラウドとの偶発的な摩擦を受けるので、小さなスキーラリブが、先端摩擦の悪影響を減少させながら内部冷却回路を仕切る先端フロアの健全性を保証する。 For example, a turbine blade tip is an area of a blade that is difficult to cool sufficiently over the desired long useful life of the blade. Skiler ribs surrounding the airfoil tip provide positive pressure to minimize the radial gap or gap between the tip and the surrounding turbine shroud and to minimize unwanted combustion gas leakage through the gap during operation. And as a local extension of the suction side. Since the turbine blades are subject to accidental friction with the surrounding turbine shroud, the small squealer rib ensures the integrity of the tip floor that partitions the internal cooling circuit while reducing the negative effects of tip friction.
スキーラリブ自体は、中実材料でありかつ比較的薄く、作動中に正圧及び負圧側面に沿って軸方向に流れると共に正圧側面上を半径方向に流れる高温燃焼ガスに浸され、また作動中にガスが先端を越えて漏洩した時に周囲のタービンシュラウドと間の先端ギャップを通って流れる高温燃焼ガスに浸される。従って、スキーラリブは、それらの外側及び先端空洞内でのそれらの内側の両方からの加熱と共にそれらの半径方向最外端縁部に沿った加熱に曝される。また、先端は、作動中に翼形部先端の高い遠心速度を受け、また作動中にそれを超えて下流方向に流れる高温燃焼ガスの高い速度を受ける。 The squealer rib itself is a solid material and is relatively thin, immersed in a hot combustion gas that flows axially along the pressure and suction sides and radially on the pressure side during operation and is in operation. When the gas leaks beyond the tip, it is immersed in the hot combustion gas flowing through the tip gap with the surrounding turbine shroud. Thus, the squealer ribs are exposed to heating along their radially outermost edges with heating from both their outside and inside of the tip cavity. The tip also experiences a high centrifugal velocity of the airfoil tip during operation and a high velocity of hot combustion gas that flows downstream during operation.
従って先行技術には、タービンブレード先端を冷却するための多くの様々な構成が存在し、それらの構成は、その意図した長い有効寿命にわたって作動するエンジンにおいて異なる複雑さ、異なる性能及び異なる有効性を有する。 Therefore, there are many different configurations in the prior art for cooling turbine blade tips that have different complexity, different performance and different effectiveness in an engine that operates over its intended long useful life. Have.
タービンブレード先端は一般的に、先端フロアを貫通して垂直に延びて内部冷却回路からの使用済み冷却空気で先端空洞を満たすようになった複数の先端孔を含む。このようにして、使用済み冷却空気により、先端空洞内への高温燃焼ガスの進入に対抗して先端冷却を改善するようにする。 The turbine blade tip typically includes a plurality of tip holes that extend vertically through the tip floor and fill the tip cavity with spent cooling air from an internal cooling circuit. In this manner, spent cooling air improves tip cooling against the entry of hot combustion gases into the tip cavity.
さらに、フィルム冷却孔は一般的に、作動中に正圧側スキーラリブ上を冷却するフィルムを形成するように正圧側面上のブレード先端付近に見られる。両構成において、使用済み冷却空気は、スキーラリブの外側及び内側表面の局所的フィルム冷却を行う。 In addition, film cooling holes are typically found near the blade tip on the pressure side so as to form a film that cools the pressure side squealer ribs during operation. In both configurations, the used cooling air provides local film cooling of the outer and inner surfaces of the squealer ribs.
使用済み冷却空気は、加圧下で先端孔を通して吐出されるので、この空気は、先端フロアに対して垂直な高速の個別ジェットの形態で吐出され、このことがその冷却効果を制限している。従って、先端フロアを貫通する対称拡開先端孔を導入して、吐出空気を拡散させてその速度を低下させかつそれに対応して圧力を増大させて先端空洞の内側の冷却を高めるようにすることができる。 Since used cooling air is discharged through the tip hole under pressure, the air is discharged in the form of a high-speed individual jet perpendicular to the tip floor, which limits its cooling effect. Therefore, a symmetrically widened tip hole that penetrates the tip floor is introduced to diffuse the discharge air to reduce its speed and correspondingly increase the pressure to increase the cooling inside the tip cavity. Can do.
さらに別の従来型の先端冷却構成では、特にそこに最大の熱負荷を有する翼形部正圧側スキーラリブの内部又は内側表面を衝突冷却するように、円筒形先端孔は、先端フロアを傾斜して貫通させることができる。しかしながら、先端孔は比較的小さな直径を有するので、それら先端孔はブレード自体の原初の鋳造工程においては形成することができず、鋳造後の穿孔加工によって形成しなくてはならない。穿孔加工には、鋳造したスキーラリブを損傷せずに先端フロアにアクセスする必要がある。これを効果的に行うためには、傾斜先端孔をスキーラリブに近接して配置しなくてはならないが、そのことによって、スキーラリブが近接先端孔の製作を邪魔することになる。 In yet another conventional tip cooling configuration, the cylindrical tip hole tilts the tip floor so that it specifically cools the inner or inner surface of the airfoil pressure side squealer rib having the greatest thermal load there. It can be penetrated. However, since the tip holes have a relatively small diameter, the tip holes cannot be formed in the original casting process of the blade itself, and must be formed by drilling after casting. Drilling requires access to the tip floor without damaging the cast squealer ribs. In order to do this effectively, the inclined tip hole must be placed close to the squealer rib, which interferes with the production of the proximal tip hole.
従って、スキーラリブの形成に先立って先ず始めに傾斜先端孔を製作し、次いでスキーラリブを製作しなくてはならないが、このことは、製造の難しさとコストを増大させ、また一般的には方向性凝固する超合金又は単結晶合金で製造されるスキーラリブと主翼形部との間の単体構造性を損なうことになる。
従って、改善した先端冷却を有するタービンロータブレードを提供することが望まれる。 Accordingly, it would be desirable to provide a turbine rotor blade having improved tip cooling.
タービンブレードは、中空の翼形部を含み、この翼形部は、その先端フロアを貫通して延び、かつフロアから外向きに延びるスキーラリブに向かって斜めになった複数の湾曲先端孔を有する。 The turbine blade includes a hollow airfoil that has a plurality of curved tip holes that extend through the tip floor and are angled toward a squealer rib extending outwardly from the floor.
添付図面と関連させた以下の詳細な説明において、好ましくかつ例示的な実施形態による本発明を、その更なる目的及び利点と共により具体的に説明する。 In the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, the invention in accordance with preferred and exemplary embodiments will be more particularly described with further objects and advantages thereof.
図1に示すのは、ガスタービンエンジン内で使用する例示的なHPTタービンロータブレード10である。ブレードは、支持ダブテール16と一体形に形成されたプラットフォーム14から半径方向外向きに延びる中空の翼形部12を含む。ダブテールは、部分的に示したタービンロータディスク18の外周部の対応するスロット内にブレードを支持するように構成される。
Illustrated in FIG. 1 is an exemplary HPT
翼形部12は、ほぼ凹面形の正圧側壁20と円周方向に対向するほぼ凸面形の負圧側壁22とを含み、これら側壁は、横方向(翼厚方向)に間隔をおいて配置されて、それらの間に内部冷却回路又はチャネル24を形成する。翼形部はまた、プラットフォーム14との接合部における半径方向内側根元26から翼形部の対向する遠位先端における半径方向外側の平坦な先端フロア28まで半径方向つまり長手方向翼長にわたって延びる。2つの側壁はまた、対向する前縁及び後縁30、32間で翼弦にわたって軸方向に延びる。
The
小さなスキーラリブ34が、翼形部と単体構造つまり一体形の鋳造品として先端フロア28の周囲を囲んで側壁20、22から一体形に延びる。スキーラリブは、前縁と後縁との間で両側壁に沿って延びてフロアの上に先端空洞36を形成し、この先端空洞は、半径方向外向きに開放しており、ガスタービンエンジン内に取り付けられた時に周囲のタービンシュラウド(図示せず)と向かい合う。
作動時には、加圧冷却空気38が、エンジンの圧縮機(図示せず)から抽気されて、ブレードの内部冷却回路24と流れ連通状態で結合された1つ又はそれ以上の入口を有するダブテールの基部を通して導かれる。翼形部は、その内部に何らかの従来型の冷却回路を有することができ、使用済み冷却空気を何らかの従来型の設計及び構成のフィルム冷却孔及び後縁孔の様々な列を通して吐出する。
In operation, a dovetail base having one or more inlets in which
このようにして、冷却空気は、最初に翼形部を内部冷却するために使用され、次いで翼形部の正圧及び負圧側壁の両方に沿ったフィルム冷却孔を通して吐出されて、燃焼器(図示せず)から排出された高温燃焼ガス40に対して断熱を行う対応する冷却空気の薄いフィルムを形成するようになる。
In this way, the cooling air is first used to internally cool the airfoil and then discharged through film cooling holes along both the positive and negative side walls of the airfoil to produce a combustor ( A corresponding thin film of cooling air is formed which insulates the
背景技術の項で上述したように、ブレード10の先端領域は、その周囲を境界付けるスキーラリブ34が小さいこと及び作動中に正圧及び負圧側壁の両方の外側に沿った高温燃焼ガスと同時に燃焼ガスがスキーラリブを越えて流れる又は漏洩する時におけるリブの内側に沿った高温燃焼ガスに直接曝されることの観点から、冷却するのが特に難しい。
As described above in the Background section, the tip region of the
従って、図1に示すタービンブレードは、先端冷却のための改善した構成を含み、この構成では、複数の湾曲先端孔42が、冷却回路24から冷却空気を受けるために冷却回路24と流れ連通状態で、先端フロア28を貫通して延びる。
Accordingly, the turbine blade shown in FIG. 1 includes an improved configuration for tip cooling, in which a plurality of curved tip holes 42 are in flow communication with the
図2には、例示的な実施形態による先端孔42を示しており、この例示的な実施形態では、対応する孔42は、スキーラリブ34との浅い又は斜めの視射角で冷却空気38を方向付けるように、翼形部の各側面のスキーラリブ34に向かって斜めになるか又は湾曲している。スキーラリブ34は、高い温度において高い強度を有するような典型的な超合金で翼形部自体と一体形に鋳造されるのが好ましく、また先端孔42は、リブ34がフロアと接合するリブ34の基部に近接して、フロア28を貫通して配置される。孔は、該孔から吐出される冷却空気をリブの内側表面に向かって翼厚方向に偏向又は方向付けしてその冷却効果を高めるように、スキーラリブ34の内側表面又は内面に向かう外寄りの傾斜を有する。
FIG. 2 shows a
図2に示すように、先端孔42の各々は、冷却回路24から空気を受けるために冷却回路24と流れ連通状態で、フロア28の底面を貫通して延びる直線状の入口44を含む。各孔42はまた、入口44から隣接するリブ34の内側表面に向かって斜めになるか又は湾曲した一体形の出口46を含む。出口46は、該出口46からの空気ジェットをリブの内側表面に対して偏向させるか又は曲げて空気ジェットの斜め衝突冷却の形態を形成し、かつ冷却空気の薄いフィルムを形成して空気からの断熱を改善するように、スキーラリブ34に向かって外寄りに傾けるか又は傾斜させる。
As shown in FIG. 2, each of the tip holes 42 includes a
先端孔42は、図2では横方向(翼厚方向)の断面で示し、また図3では側方方向(翼弦方向)の断面で示しており、先端孔の出口46は、先端孔を通して吐出される冷却空気38を先端空洞の中央部に向かう内寄りとは対照的にスキーラリブ34に向けて外寄りに方向性を持たせて拡散させるように、入口44から流路面積が拡開又は増大している。
The
入口44は、先端フロア28の厚さの約半分の有限長さを有し、その中心軸線に沿って軸対称であるのが好ましく、また図4に示すように形状を矩形とすることができ、或いは性能及び製造方式における所望に応じて方形、円形又は長円形とすることができる。
The
これに応じて、出口46は、図2に示すようにリブ34に向かって翼厚方向に非対称であるが、さらに図3に示すようにリブ34に沿って翼弦方向に対称であるのが好ましい。
Accordingly, the
このようにして、各先端孔42から吐出される空気ジェットは、図2に示すようにスキーラリブ34の内側表面に向かって外寄りに曲がるように偏向されるが、図3に示すようにリブ34の側面に沿って翼弦方向に前縁に向かう前方向と後縁に向かう後方向との両方向にも拡がる。従って、各先端孔42から吐出される空気の有効到達範囲を最大にしながら、冷却空気はさらにリブの内側表面をかすめるように外寄りに偏向されるか又は曲げられる。
In this way, the air jet discharged from each
図2及び図3に示す実施形態では、入口44は、フロア28がほぼ平坦である場合に、フロア28に対して垂直又はほぼ直角である。これに対応して、湾曲した出口46は、図2に示すように平坦な前方壁48を含み、この前方壁48は、スキーラリブ34の基部に近接して配置され、かつリブ34に向かって外寄りに入口44から浅い傾斜角Aで傾斜している。各出口はまた、前方壁48から内寄りに間隔を置いて配置されかつ入口44の後方表面とほぼ一直線を成す平坦な後方壁50を含む。
In the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, the
それらの間の対応する小さな弧状接合部において前方及び後方壁48、50を互いに結合する1対の平坦な側壁52を設けて、各出口46の四辺形構成を完成し、出口の周囲を囲む。
A pair of
図2に示す斜め先端孔42は流路面積が比較的小さいので、それら先端孔は、別の方法で中実の鋳造先端フロア28を備えた状態で翼形部自体を原初に鋳造した後に形成されるのが好ましい。このようにして、スキーラリブ34は、原初に正圧及び負圧側壁20、22の延長部として鋳造され、スキーラリブ34は、これら両側壁から延びて、これら両側壁と同じ冶金学的特性、つまりガスタービンエンジンの厳しい環境における高温作動において高い強度を得るために利用される特殊な超合金の特性を有する。
The slanted tip holes 42 shown in FIG. 2 have a relatively small flow path area, so these tip holes are formed after the airfoil itself is originally cast with a solid
個々の先端孔42は次に、斜め出口孔42の所望の形状に一致するように構成された遠位端を有する対応した形状の放電加工(EDM)電極54を使用することによって製作することができる。図2に示すように、EDM電極54の遠位端は、孔入口44を穿孔加工しかつ孔入口44の形状に一致するように構成され、先端孔の斜め出口46を形成するために前方壁48の傾斜角Aと一致した傾斜ジョグを含む。
Individual tip holes 42 can then be fabricated by using correspondingly shaped electrical discharge machining (EDM)
電極54は次に、スキーラリブ34に近接させて先端空洞36内に垂直方向に下降させることができ、電極を軸方向下向きに平行移動させるとEDMプロセスによって最終先端孔42が穿孔されることになる。
The
出口46はリブ34に向かって外寄りに斜めになっているので、対応する電極54は、同じリブ34に向かって外寄りに傾斜した対応するジョグを有し、このジョグは、リブの内側表面に近接して適当な間隔Cだけ間隔を置いて配置された垂直シャンクによって支持されている。間隔Cは、孔形成工程中に電極を下降させた時に予め鋳造したスキーラリブ34が迷走放電加工されるのを防止するのに十分な大きさにすべきである。
Since the
EDMプロセスによって形成された先端孔の入口44は、比較的小さくすることができ、その有効直径は、約10〜15ミル(0.25〜0.38mm)であり、また電極シャンクの翼厚方向の間隔Cは、迷走放電加工を防止するために同様な大きさである。
The
後方壁50は入口44と垂直方向に一直線を成し、またこれら両者は平坦な先端フロア28に対してほぼ垂直であるので、EDM電極54は、その傾斜した前方壁48を含む斜め先端孔42を1回の動作で形成するのに垂直方向の平行移動のみを必要とする。
Since the
図3に示すように、出口46における側壁52の対は、共通の入口44から外向きに拡がるように、同様な又は等しい傾斜角Bで傾斜している。これに対応して、EDM電極54は、先端孔42の共通の放電加工形成において2つの側壁52を対応して形成するために、シャンク下方のジョグ領域内でその細い遠位端から局所的に拡がっている。
As shown in FIG. 3, the pair of
図2及び図3の2つの直交平面において示した先端孔の例示的な構成は、タービンブレード冷却において一般的な従来型の軸対称拡散孔から派生させることができる。しかしながら、図3に示す先端孔42は、軸対称である代わりに、吐出冷却空気を拡げるために前縁と後縁との間でスキーラリブ34に沿って翼弦方向にのみ対称であるが、先端孔からスキーラリブ34の隣接する内側表面に向けて吐出冷却空気を外寄りに偏向させるか又は反らすために、図2に示す翼厚方向断面においては非対称であるか又は対称でない点が異なっている。
The exemplary configuration of the tip hole shown in the two orthogonal planes of FIGS. 2 and 3 can be derived from a conventional axisymmetric diffusion hole common in turbine blade cooling. However, instead of being axially symmetric, the
典型的な拡散孔では、拡開壁の拡散角は、吐出冷却空気の拡散壁からの流れ剥離を回避しかつ拡散効果を最大にするような値に限定される。さらに、従来型の拡散角は、従来型の軸対称拡散孔におけるのと同じままである。 In a typical diffusion hole, the diffusion angle of the spreading wall is limited to a value that avoids flow separation of the discharge cooling air from the diffusion wall and maximizes the diffusion effect. Furthermore, the conventional diffusion angle remains the same as in a conventional axisymmetric diffusion hole.
図2及び図3に示す例示的な実施形態では、先端孔の前方壁48は、出口側壁52の傾斜角Bよりも大きいのが好ましい鋭角傾斜角Aでリブ34に向かって傾斜している。例えば、翼厚方向傾斜角Aは、約27°とすることができ、また翼弦方向傾斜角Bは、約44°の全体翼弦方向拡がりを得るために約22°とすることができる。
In the exemplary embodiment shown in FIGS. 2 and 3, the
このようにして、先端孔から吐出される空気は、図3に示すようにスキーラリブ34の長さに沿って、翼弦方向に拡がることができ、かつスキーラリブ34の基部に対してより大きな影響を与えるように斜めにするか又は曲げることができる。前方壁48は傾斜しておりまた後方壁50は垂直であるので、先端孔から吐出される空気は、それらの間の角度範囲にわたって拡がることになる。前方壁48は、スキーラリブ34の内側表面に近接して配置されるのが好ましいが、孔を穿孔加工する時にスキーラリブ自体が迷走放電加工されるのを防止するために、図2に示す必要オフセット間隔Cによって制限される。
In this way, the air discharged from the tip hole can spread in the chord direction along the length of the
前方壁48のより大きな傾斜角Aは、吐出冷却空気が、スキーラリブ34の基端部により近接して大きな冷却効果を有することになり、この大きな冷却効果がその後、空気が上方に流れてスキーラリブの遠位端を通過するような高い位置まで継続することができるのを保証する助けをする。
The larger inclination angle A of the
先端孔からのスキーラリブをかすめる空気は、別の方法では表面に対して垂直であるタイプの衝突冷却を行うと同時に、リブの内側表面のフィルム冷却も行う。さらに、前方壁48の過度な傾斜角Aは、吐出空気の流れ剥離をもたらしてその中に乱流を促進することができ、この乱流が熱伝達を増大させてスキーラリブ内側表面の冷却をさらに改善する。
The air that grazes the squealer ribs from the tip holes provides a type of impingement cooling that is otherwise perpendicular to the surface, as well as film cooling of the rib inner surface. Further, the excessive inclination angle A of the
図2〜図4は、スキーラリブ34が、約5〜20ミル(0.13〜0.5mm)の半径を有する比較的小さなフィレットで先端フロア28と一体形に接合され、かつ先端孔の出口46がそのフィレット56において又はそのフィレット56に近接して終端する1つの実施形態を示している。例えば、先端孔42をスキーラリブ34の内側表面に実施可能な限りできるだけ近接させて設けるために、フィレット56は、実施可能な限りできるだけ小さく形成することができる。また、孔の穿孔加工中にスキーラリブ自体の迷走放電加工を生じさせずに、先端孔をスキーラリブ34に対して可能な限り近くに配置することを保証するために、フィレット56の寸法は、図2に示す間隔Cと一致するように選択することができる。
2-4 show that the
図5及び図6は、先端孔42の別の実施形態を示しており、この実施形態では、スキーラリブ34の基部及び先端フロア28におけるフィレット56は、比較的大きく、また先端孔42の出口46が少なくとも部分的に又は全体的にフィレット56内で終端するのに十分な大きさである。図5は、先端孔42の出口を完全に包含するのに十分なフィレット56の半径Rを示している。
5 and 6 show another embodiment of the
このようにして、先端孔の出口は、その高さが垂直な後方壁50から傾斜前方壁48まで増大し、2つの側壁52は、それらの間でその高さが徐々に増大する。より背の高い側壁は次に、冷却空気が出口から吐出された時にこの冷却空気をさらに閉じ込めておくために使用することができる。さらに、増大した側壁はまた、大きなフィレット56において側壁と接合するスキーラリブ34の基部に一層近接してスキーラリブ34の早期冷却を促進する。
In this way, the outlet of the tip hole increases from a
図7〜図9は、斜め先端孔42のさらに別の実施形態を示しており、この実施形態では、先端空洞36は、先端フロア28とリブ34の基部との間の接合部において一体形に結合又は鋳造されかつ翼形部の前縁及び後縁間でリブに沿って側方方向又は翼弦方向に間隔を置いて配置された複数のラグ又はボス58を含む。
7-9 illustrate yet another embodiment of the
ラグ58の各々には次に、先端フロアの基準高さから上方に隆起した小さな平坦域が設けられ、この平坦域内において、先端孔42の対応する1つが内部冷却回路24と流れ連通状態でラグを半径方向に貫通して延びることができる。このようにして、孔出口46の4つの壁48、50、52の全てが、対応するスキーラリブ34の基部においてその高さが半径方向外向きに延びて、リブの基部における内部対流冷却を増大させ、かつスキーラリブの翼弦方向に沿って側方方向に拡がりながらスキーラリブの内側表面に向かって斜めになるように吐出空気をさらに拘束するようにすることができる。
Each
ラグは翼形部の半径方向外端部に設置されて作動中に遠心荷重を発生するので、先端フロア28は比較的薄いままとすることができ、ラグ58を局所的にのみ設けて、対応する先端孔の出口46を境界付けかつさらに出口46からの冷却空気の吐出を制御するようにする。
Since the lug is installed at the radially outer end of the airfoil and generates a centrifugal load during operation, the
図8は、タービンブレードを製作する例示的な方法を概略的に示しており、タービンブレードは、中実の先端フロア28と隣接するスキーラリブ34とを含み、さらにこれらと一体形にラグを鋳造した単体構造構成部品として最初に従来通りに鋳造される。この構成では、各先端孔42の出口部分46は、それらが比較的大きくかつ拡開する寸法であることにより、対応するラグ58内に最初から鋳造することができる。しかしながら、小さな入口44は、鋳造するには小さ過ぎ、また先端フロア28は、鋳造工程後もこの領域において中実のままである。
FIG. 8 schematically illustrates an exemplary method of fabricating a turbine blade, which includes a
従って、タービンブレードの初期鋳造に引き続いて、次に何らかの従来型の方法を使用して、対応するラグ58及び先端フロア28を貫通して内部冷却回路24と流れ連通状態で対応する入口44を穿孔加工するようにすることができる。出口46は予め鋳造されているので、入口44は、図2に示すオフセットEDM電極の必要性なしに、ラグを垂直方向に真っ直ぐ貫通して穿孔加工することができる。入口44の穿孔加工は、例えば従来型のレーザ穿孔、又は入口44の意図した寸法と一致するような小さな寸法の単純な直線電極によるEDM穿孔を用いて達成することができる。
Thus, following the initial casting of the turbine blade, then any conventional method is used to drill the
ラグ58を予め鋳造することの具体的な利点は、拡開しかつ湾曲した出口46をあらゆる所望の構成として付加的に鋳造することができることである。例えば、図8及び図9に示す出口の後方壁50は、今や入口44からスキーラリブ34に向かって及びこれもまた傾斜した前方壁48に向かって外寄りに傾斜させることができる。後方壁50は、前方壁48と同じ方向に傾斜するが、入口とスキーラリブとの間で出口46を拡開させるためにより小さな鋭角の傾斜を有することができる。
A particular advantage of pre-casting the
この実施形態では、先端孔入口44は、先端フロア28に対して垂直に又はほぼ直角に延び、また後方壁50が僅かに傾斜しているので、入口は、図9に示すように部分的に後方壁50の中央部を貫通して延びて、そこに穿孔加工による局所的ノッチを形成する。しかしながら、後方壁50の残りの部分は、その下方にある入口44の上方に僅かなオーバハングを形成して、スキーラリブ34をかすめるように吐出空気流を斜めにするのを助ける。
In this embodiment, the
上に開示した様々な実施形態では、入口44が、吐出空気を翼形部に対する所定の量に調量することになる。入口44は、所望に応じてまた経済的な方法での製造に応じて、矩形から円形及び長円形までのあらゆる好適な形状を有することができる。
In the various embodiments disclosed above, the
斜め出口は、冷却するスキーラリブに向かって翼厚方向に非対称であり、従って入口空気の全てをリブに向けて外寄りに方向付けることを可能にし、先端空洞の中心部に向かう向寄りの冷却空気の損失を、たとえそれがあったとしても最少にする。孔出口の拡開構成を使用して、吐出冷却空気を拡散させながら、さらに冷却空気を直接スキーラリブに向けて曲げるか又は偏向させてスキーラリブの冷却を高めるようにする利点を得ることができる。 The slanted outlet is asymmetric in the blade thickness direction towards the squealer ribs to be cooled, thus allowing all of the inlet air to be directed outwards towards the ribs and towards the center of the tip cavity. Minimize any loss, if any. The advantage of using a widening configuration at the hole outlet can be obtained by diffusing the discharged cooling air and further bending or deflecting the cooling air directly towards the skier rib to enhance cooling of the skier rib.
本明細書では、本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものを説明してきたが、本明細書の教示から本発明のその他の変更が当業者には明らかになる筈であり、従って、全てのそのような変更が本発明の技術思想及び技術的範囲内に含まれるものとして特許請求の範囲で保護されることを切望する。 While this specification has described what is considered to be preferred and exemplary embodiments of the invention, other modifications of the invention will become apparent to those skilled in the art from the teachings herein. Therefore, we hope that all such modifications will be protected by the following claims as falling within the spirit and scope of the invention.
従って、本特許出願で保護されることを望むものは、特許請求の範囲に記載しかつ特定した発明である。 Accordingly, what is desired to be secured by Letters Patent application is the invention as defined and identified by the following claims.
10 タービンブレード
12 翼形部
14 プラットフォーム
16 ダブテール
18 ロータディスク
20 正圧側壁
22 負圧側壁
24 冷却回路
26 根元
28 先端フロア
30 前縁
32 後縁
34 スキーラリブ
36 先端空洞
38 冷却空気
40 燃焼ガス
42 先端孔
44 入口
46 出口
48 前方壁
50 後方壁
52 側壁
54 (EDM)電極
56 フィレット
58 ラグ
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記翼形部(12)が、間隔を置いて配置されてその中に内部冷却回路(24)を形成した対向する正圧及び負圧側壁(20、22)を含み、前記根元(26)から対向する遠位端における先端フロア(28)まで翼長にわたって延び、かつ
対向する前縁及び後縁(30、32)間で翼弦にわたって延び、
スキーラリブ(34)が、前記フロア(28)を囲んで前記側壁(20、22)から延びて該フロアの上に開放先端空洞(36)を形成し、
複数の湾曲先端孔(42)が、前記冷却回路(24)から冷却空気(38)を受けるように該冷却回路(24)と流れ連通状態で前記フロアを貫通して延び、かつ冷却空気(38)を前記スキーラリブ(34)に方向付けるように該リブに向かって斜めになっている、
タービンロータブレード(10)。 An airfoil (12) formed integrally with the support dovetail (16) and extending outwardly from the platform (14) at the root (26);
The airfoil (12) includes opposing positive and negative pressure sidewalls (20, 22) spaced apart and forming an internal cooling circuit (24) therein, from the root (26) Extends across the wing length to the tip floor (28) at the opposite distal end and extends across the chord between the opposite leading and trailing edges (30, 32);
Skira ribs (34) extend from the side walls (20, 22) around the floor (28) to form an open tip cavity (36) on the floor;
A plurality of curved tip holes (42) extend through the floor in flow communication with the cooling circuit (24) to receive cooling air (38) from the cooling circuit (24), and cooling air (38 ) At an angle toward the rib so as to orient the squealer rib (34).
Turbine rotor blade (10).
前記入口(44)から前記リブ(34)に向かって外寄りに傾斜した平坦な前方壁(48)と、
前記前方壁(48)から内寄りに間隔を置いて配置された平坦な後方壁(50)と、
前記前方及び後方壁(48、50)を互いに結合して前記出口(46)を囲む1対の平坦な側壁(52)と、
を含む、請求項3記載のブレード。 Said outlet (46)
A flat front wall (48) inclined outwardly from the inlet (44) toward the rib (34);
A flat rear wall (50) spaced inwardly from the front wall (48);
A pair of flat side walls (52) that join the front and rear walls (48, 50) together to surround the outlet (46);
The blade of claim 3, comprising:
前記ラグ(58)の各々が、前記冷却回路(24)と流れ連通状態で該ラグを貫通して延びる前記先端孔(42)の対応する1つを含む、
請求項5記載のブレード。 A plurality of lugs (58) integrally joined to the floor (28) and ribs (34) and spaced along the ribs;
Each of the lugs (58) includes a corresponding one of the tip holes (42) extending through the lugs in flow communication with the cooling circuit (24).
The blade according to claim 5.
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